CN112038915A - 一种对装垂直风冷散热系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无功补偿设备技术领域，公开了一种对装垂直风冷散热系统及控制方法，功率柜内对装有单元支架；单元支架上部连接有离心风机；离心风机安装于功率柜顶，用于抽取功率柜内中央风道热空气，将热空气交换至功率柜外；功率柜的前后门安装有多个波导通风板，用于功率柜内通风，以及功率柜内电磁屏蔽。本发明通过将功率单元对装可以在体积上实现横向维度的缩减。而且前后进风的框架结构将热量集中在中央风道后通过顶部的大功率轴流散热风机排出，对装结构使得单元散热器距离门板上的进风口更近，冷空气可以通过较短的路径流向中央风道，减少换热过程中冷空气的逸散，加大换热效率。本发明极大缩减了功率柜的大小，避免了空间的浪费。

Description

一种对装垂直风冷散热系统及控制方法
技术领域
本发明属于无功补偿设备技术领域，尤其涉及一种对装垂直风冷散热系统及控制方法。
背景技术
目前，静止无功发生器(SVG)，又称高压无功补偿装置，具有无极补偿、治理后功率因数高、跟踪时间短、使用寿命长和结构简单等优势，已经成为无功补偿技术领域的主要发展方向。
高压SVG一般由进线柜、功率柜和控制柜组成，多个模块级联安装在功率柜中。电网等级越高的SVG每相的功率单元级联数量越多。通常直挂式的SVG 电压等级在10kV，考虑到绝缘安全间距的问题，级联的单元通常会分多个功率柜直列排布。加上本身的进线柜和控制柜里面的功率电缆、信号光纤错综复杂，对现场场地要求高，不利于运输和安装，拼接的功率柜给安装带来了很大的不便。且徒增较多的成本。
由于大功率IGBT的加入使得装置散热成了很大的问题，水冷散热效率高稳定性好，但却缺乏安全性，一旦循环水管发生问题很大可能造成不可挽回的后果造成人身伤亡或巨大经济损失，风冷效率虽低于水冷却有着很高的可靠性，风冷系统的风道设计成了SVG装置长期稳定运行的一大要点。也是现有技术研究的重点。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的技术中，高压无功补偿SVG/有源滤波APF的功率单元布局呈直列按照从左到右顺序依次排列，虽然结构上简单，但是总体体积较大，整柜的空间利用不充分。且由于单元排列过长整体风道也会增长，风道的增长使得风机数量的增加，不仅徒增成本，而且过大的空间会降低冷热空气的交换速率。
(2)现有风机控制策略过于传统粗暴，通常为投运状态下就自动满功率运行，由于传统风冷策略选用的风机一般为比较大功率的轴流风机，且由于功率单元分布过长风机的数量也会随之增多，当风机同时运行时风机对整个配电室的噪音控制增加很多的困难，设备长时间投运但却处于未补偿或少量补偿状态下时风机满功率的工作会徒增功耗，不符合现在国家政策提倡的节能环保。且会缩短风机使用寿命。
解决以上问题及缺陷的难度为：为了缩小整个功率柜的体积，必须要考虑到相应的电气安全间距，如单元铜排与柜门风机的间距；相间铜排与壳体的间距。中央散热风道的大小能否满足散热的速率，会不会造成热量堵塞从而达不到一个热量交换平衡的效果，风机控制策略下传感器安装的位置合理性，能否正确及时的调控风机达到散热的需求。
解决以上问题及缺陷的意义为：能够保证设备在尽可能的缩小体积的条件下，同时保证设备运行的安全性、稳定性。风机控制策略能够使风机在不同场景下合理的变换风速，环保节能，使设备更加智能灵活化。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种对装垂直风冷散热系统及控制方法。
本发明是这样实现的，一种对装垂直风冷散热系统，包括功率柜，所述包括功率柜内对装有单元支架；
所述单元支架上部连接有离心风机；所述离心风机安装于功率柜顶，用于抽取功率柜内中央风道热空气，将热空气交换至功率柜外；
所述功率柜的前后门安装有多个波导通风板，用于功率柜内通风，以及功率柜内电磁屏蔽。
进一步，所述单元支架垂直方向为多根垂直支架作为整个框架的支撑；
水平方向多个横档将上下分为三层，隔层中间呈均匀对称排列的单元滑轨用于支撑功率单元以及固定位置；
最外侧左右两边装有多根侧档用于强化支撑整体框架；
风道部分由多块侧封板包覆整个侧面，所述侧封板用于2加强整体的强度；
风道外封板和风道内封板内外结合形成整个框架的进风风道；
单元支架最上方为垂直风道左右封板与垂直风道前后封板围成的垂直风道空间，与下方中央风道形成一体将风延垂直方向直通离心风机入风口。
进一步，所述单元支架采用环氧树脂绝缘材料，构成为采用矩形支架分割搭建的多个可容纳单元的空间。
进一步，所述功率柜或替代为进线柜。
进一步，所述所述单元支架上部的垂直风道上安装有波导通风板，所述波导通风板与离心风机出风口连接。
进一步，所述波导通风板为蜂窝型，通风波导窗材质为不锈钢；波导束孔径为5mm。
进一步，所述离心风机为轴流风机，为两个。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述对装垂直风冷散热系统散热的高压无功补偿装置。
本发明的另一目的在于提供一种对装垂直风冷散热系统的控制方法，包括：
功率模块通过高速光纤与主控制器进行数据交换，主控制器将收集到的各个单元的温度进行处理，取最高温度的前八位进行均值计算，当计算温度在一定区间内，主控制器发出工作命令控制变频器调节柜顶风机的转速。
进一步，当柜内循环效率不足时，柜内温度逐渐上升；柜门在对应风道入口装设有轴流风机，柜内的温度传感器检测到温度高于设定值时会发送信号给主控制器，主控制器控制通过中间继电器控制风机接触器吸合，柜门风机将辅助垂直风道进行循环，增加进气端进气速率。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明通过将功率单元对装可以在体积上实现横向维度的缩减。而且前后进风的框架结构将热量集中在中央风道后通过顶部的大功率轴流散热风机排出，对装结构使得单元散热器距离门板上的进风口更近，冷空气可以通过较短的路径流向中央风道，减少换热过程中冷空气的逸散，加大换热效率。
本发明整个风道的设计将功率单元对装极大缩减了功率柜的大小，避免了空间的浪费。
垂直中空的风道配合柜顶大功率离心风机能够极大效率的对柜内的热空气进行冷热交换。
风道的进出风口创新的加入了波导通风板，大大的削弱了风机噪音，有效避免固体颗粒直接进入功率柜内。降低了环境因素对装置运行可靠性的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的单元支架示意图。
图中：1、垂直支架；2、侧封板；3、侧档；4、单元滑轨；5、风道外封板； 6、横档；7、垂直风道左右侧封板；8、垂直风道前后封板；9、风道内封板。
图2是本发明实施例提供的功率柜等轴侧视图。
图2中：10、功率柜。
图3是本发明实施例提供的柜内风向图。
图3中，11、离心风机；12、中央风道；13、波导通风板。
图4是本发明实施例提供的波导通风板示意图。
图5是本发明实施例提供的离心风机参数配置曲线图。
图6是本发明实施例提供的柜顶风机控制的流程框图。
图7是本发明实施例提供的柜门辅助进风风机控制流程框图。
图8是本发明实施例提供的根据发热量进行风冷仿真，IGBT散热片最高温度57.89℃仿真图。
图9是本发明实施例提供的柜体表面温度最高48.2℃仿真图。
图10是本发明实施例提供的风轨迹线集中在1.3～2.6m/s仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种对装垂直风冷散热系统及控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图4所示，本发明实施例提供的对装垂直风冷散热系统包括功率柜 10，所述包括功率柜10内对装有单元支架；
所述单元支架上部连接有离心风机11；所述离心风机11安装于功率柜10 顶，用于抽取功率柜内中央风道12热空气，将热空气交换至功率柜外；
所述功率柜的前后门安装有多个波导通风板13，用于功率柜内通风，以及功率柜内电磁屏蔽。
在本发明中，单元支架包括：垂直支架1、侧封板2、侧档3、单元滑轨4、风道外封板5、横档6、垂直风道左右侧封板7、垂直风道前后封板8、风道内封板9。
本发明采用国标环氧树脂作为绝缘材料，基本构成为采用矩形支架分割搭建的一个个可容纳单元的空间。
垂直方向为12根垂直支架1作为整个框架的支撑；水平方向12个横档6 将上下分为三层，隔层中间呈均匀对称排列的单元滑轨4用于支撑功率单元以及固定位置；最外侧左右两边装有6根侧档3起到强化支撑整体框架的作用。
风道部分由4块侧封板2包覆整个侧面，大面积的侧封板2对整体的强度也有一定的加强的作用。
风道外封板5和风道内封板9限制了模块安装位置的移动限度，将模块的安装轨迹固定，内外结合形成对装单元的进风风道。
框架最上方是2块垂直风道左右封板7与2块垂直风道前后封板8围成的垂直风道空间，与下方中央风道形成一体将风延垂直方向直通离心风机入风口。
(2)循环设计，如图3。
风冷单元主要包括离心风机11、波导通风板13。波导通风板安装于功率柜 10及进线柜前门上，用于柜内通风，兼具电磁屏蔽功能。离心风机安装于柜顶，用于循环柜内空气，将柜内热空气交换至柜外。
整个风道由前后进风过散热器至中央风道最后经由垂直风道由柜顶轴流风机向三个方向排出。
(a)波导通风板13：
波导通风板13能够起到降低风机噪音，隔绝一定大小固体颗粒的进入，而且能起到电磁屏蔽的作用，防止单元内部电路受到外界的强干扰。
进线柜顶波导通风板波导束尺寸280*280*18mm，功率柜顶风机波导通风板波导束尺寸440*163*18mm，功率柜门波导通风板波导束尺寸485*335*18mm，波导束孔径均为5mm，蜂窝型通风波导窗材质为不锈钢。波导板安装于柜前，功率柜顶风机共计6块波导板，功率柜前后门共计12块波导通风板。大体样式为图 4所示,主要参数为：
规格：440*163*18mm(柜顶)/485*335*18mm(柜门)。
截止频率：30GHz。
屏蔽效能：≥100dB。
(b)柜顶冷却风机
冷却风机用于置换柜内空气，形成合理散热风道，用于降低柜内空气温度。风机安装于柜顶，每个柜内安装两个离心风机。风机的主要参数：
最大风量：2700m3/H。
最大噪声：66dB。
如图5离心风机参数配置曲线图所示。
本发明整个风道的设计将功率单元对装极大缩减了功率柜的大小，避免了空间的浪费。
垂直中空的风道配合柜顶大功率离心风机能够极大效率的对柜内的热空气进线冷热交换。
风道的进出风口创新的加入了波导通风板，大大的削弱了风机噪音，有效避免固体颗粒直接进入功率柜内。降低了环境因素对装置运行可靠性的影响。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
风控设计
①柜顶交换风机
风机的启停和转速大小是由控制柜的主控制器实现的。在功率柜内每个模块都有IGBT的节温检测，一方面是为了保护单元温度过高而发生故障，另一方面可以参与风机的调节。一般设备的风机一投运就以最高功率运行，而设备在低效运作时候内部温度不高，风机不需要过高的交换速率，通过对风机的智能化控制调节可以做到能量的不浪费、避免直接启动增加风机的使用寿命且自动化程度高根据温度的大小自动调节风速。
柜顶风机控制的流程框图如图6所示：
工作原理：设备自动运行时，功率模块通过高速光纤与主控制器进行数据交换，主控制器将收集到的各个单元的温度进行处理，取最高温度的前八位进行均值计算，当计算温度在一定区间内，主控制器会发出工作命令控制变频器调节柜顶风机的转速。
②柜门辅助风机
当柜内循环效率不足时，柜内温度会逐渐上升。柜门在对应风道入口装设有轴流风机，柜内的温度传感器检测到温度高于设定值时会发送信号给主控制器，主控制器控制通过中间继电器控制风机接触器吸合，柜门风机将辅助垂直风道进行循环，加强进气端进气速率。风机出风口直接对准风道也有将风辅助推送散热器的效果。
柜门辅助进风风机控制流程框图如图7所示：
在本发明中，换热分析：
空气的定压(10mmAq)比热(Cp)＝0.24(Kcal/kg℃)；
1ka等于4.2焦尔；
单位体积的空气重量为1200g/m3；
CMM、CFM为每分钟排除空气体积，CMM为立方米/每分钟；CFM为立方英尺/ 每分钟。1CMM＝35.3CFM。
a.风扇总排出量(H)＝比热(Cp)*重量(W)*容器允许温升(△Tc)；
重量W＝(CMM/60)*D＝(CMM/60)*1200g/m3＝(Q/60)*1200g/m3；
所以总热量(H)＝0.24(Q/60)*1200g/m3*△Tc；
b.热量H＝Pt/4.2
c.由a、b得知：0.24(Q/60)*1200g/m3*△Tc＝Pt/4.2；
得到Q＝0.05P/△Tc。
d.根据设计计算柜内主要发热元件可知P≈4532W，△Tc＝10℃；得到Q＝22.66(CMM)＝22.66*60＝1359.6(m3/h)；
排风1360(m3/h)即可将热量排除柜外，柜顶风机选择2块排风量为2700(m 3/h)的风机，完全可以满足散热需求。
风机采用变频设计，风机的转速根据柜内温度实时调控。
根据发热量进行风冷仿真，IGBT散热片最高温度57.89℃，具体仿真如图8。
柜体表面温度最高48.2℃，仿真如图9。
风轨迹线集中在1.3～2.6m/s仿真如图10(a)-10(b)。
仿真的结果显示风道的设计以及风机的选择和控制完全符合散热的要求，能够很好的控制柜内的温度保持在一个良好的范围内。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对装垂直风冷散热系统，包括功率柜，其特征在于，所述功率柜内对装有单元支架；
所述单元支架上部连接有离心风机；所述离心风机安装于功率柜顶，用于抽取功率柜内中央风道热空气，将热空气交换至功率柜外；
所述功率柜的前后门安装有多个波导通风板，用于功率柜内通风，以及功率柜内电磁屏蔽。
2.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述单元支架垂直方向为多根垂直支架作为整个框架的支撑；
水平方向多个横档将上下分为三层，隔层中间呈均匀对称排列的单元滑轨用于支撑功率单元以及固定位置；
最外侧左右两边装有多根侧档用于强化支撑整体框架；
风道部分由多块侧封板包覆整个侧面，所述侧封板用于2加强整体的强度；
风道外封板和风道内封板内外结合形成整个框架的进风风道；
单元支架最上方为垂直风道左右封板与垂直风道前后封板围成的垂直风道空间，与下方中央风道形成一体将风延垂直方向直通离心风机入风口。
3.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述单元支架采用环氧树脂绝缘材料，构成为采用矩形支架分割搭建的多个可容纳单元的空间。
4.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述功率柜或替代为进线柜。
5.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述所述单元支架上部的垂直风道上安装有波导通风板，所述波导通风板与离心风机出风口连接。
6.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述波导通风板为蜂窝型，通风波导窗材质为不锈钢；波导束孔径为5mm。
7.如权利要求1所述的对装垂直风冷散热系统，其特征在于，所述离心风机为轴流风机，为两个。
8.一种利用权利要求1～7任意一项所述对装垂直风冷散热系统散热的高压无功补偿装置。
9.一种对装垂直风冷散热系统的控制方法，其特征在于，所述对装垂直风冷散热系统的控制方法包括：
功率模块通过高速光纤与主控制器进行数据交换，主控制器将收集到的各个单元的温度进行处理，取最高温度的前八位进行均值计算，当计算温度在一定区间内，主控制器发出工作命令控制变频器调节柜顶风机的转速。
10.如权利要求9所述的对装垂直风冷散热系统的控制方法，其特征在于，
当柜内循环效率不足时，柜内温度逐渐上升；柜门在对应风道入口装设有轴流风机，柜内的温度传感器检测到温度高于设定值时会发送信号给主控制器，主控制器控制通过中间继电器控制风机接触器吸合，柜门风机将辅助垂直风道进行循环，增加进气端进气速率。
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